DE102012103744B4

DE102012103744B4 - Verlagerungsdetektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102012103744B4
Application number: DE102012103744.2A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Kuroda
Original assignee: DMG Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2032-04-28
Also published as: DE102012103744A1; JP6076589B2; JP2012237644A; US20120287441A1; US9097511B2

Abstract

Verlagerungsdetektionsvorrichtung (200), die umfasst:ein Beugungsgitter (1) mit einer trapezförmigen oder rechteckigen Reliefform;ein optisches Bestrahlungssystem (10) mit einem Lichtquellenabschnitt (2) zum Emittieren von kohärentem Licht und einem Strahlteiler (4) zum Aufteilen des vom Lichtquellenabschnitt (2) emittierten Lichts in zwei Strahlen, das dazu ausgelegt ist, die zwei Strahlen auf das Beugungsgitter (1) als p-polarisiertes Licht abzustrahlen;ein optisches Reflexionssystem (20) mit zwei Linsen (7, 9), wobei Brennpunkte der zwei Linsen auf der Seite des Beugungsgitters (1) auf dem Beugungsgitter (1) angeordnet sind, und zwei Spiegeln (8, 11), die so angeordnet sind, dass zwei erste gebeugte Lichtbündel, die von zwei Strahlen durch Beugung an dem Beugungsgitter (1) erhalten werden, senkrecht darauf einfallen, wobei das optisches Reflexionssystem (20) dazu ausgelegt ist, die zwei ersten gebeugte Lichtbündel, die von den zwei Strahlen durch Beugung durch das Beugungsgitter (1) erhalten werden, jeweils zu reflektieren und zu bewirken, dass die zwei ersten gebeugten Lichtbündel wieder auf das Beugungsgitter (1) als p-polarisiertes Licht einfallen;ein optisches Interferenzsystem (30), das dazu ausgelegt ist zu bewirken, dass zwei zweite gebeugte Lichtbündel, die von den zwei ersten gebeugten Lichtbündeln, die wieder auf das Beugungsgitter (1) einfallen, durch Beugung durch das Beugungsgitter (1) erhalten werden, miteinander interferieren, um Interferenzlicht zu erhalten;einen Lichtempfangsabschnitt (40), der dazu ausgelegt ist, das Interferenzlicht zu empfangen, das im optischen Interferenzsystem erhalten wird; undeinen Positionsinformations-Detektionsabschnitt (60), der dazu ausgelegt ist, Positionsinformationen des Beugungsgitters (1) auf der Basis eines Interferenzsignals, das im optischen Interferenzsystem (30) erhalten wird, zu detektieren,wobei die Periode des Reliefs des Beugungsgitters (1) nicht mehr als 1,5-mal die Wellenlänge des kohärenten Lichts ist, das auf das Beugungsgitter (1) einfällt,wobei die periodische Struktur des Reliefs zweidimensional ausgebildet ist;wobei das optische Bestrahlungssystem (10), das optische Reflexionssystem (20), das optische Interferenzsystem (30), der Lichtempfangsabschnitt (40) und der Positionsinformations-Detektionsabschnitt (60) für jede Richtung der zweidimensionalen Richtung vorgesehen sind;wobei das optische Reflexionssystem (20) bewirkt, dass die ersten gebeugten Lichtbündel, die durch das Beugungsgitter (1) gebeugt werden, wieder einfallen, um ein Bild in einer ersten Position zu erzeugen, die von der zweiten Position verschieden ist, in der die zwei Strahlen auf das Beugungsgitter (1) einfallen;wobei das optische Bestrahlungssystem (10), das optische Reflexionssystem (20), das optische Interferenzsystem (30), der Lichtempfangsabschnitt (40) und der Positionsinformations-Detektionsabschnitt (60), die für jede Richtung der zweidimensionalen Richtung vorgesehen sind, so ausgelegt sind, dass eine Linie, die zwei Punkte verbindet, die in einer Richtung der zwei Dimensionen verschieden sind und an die das Licht durch einen ersten Signalerfassungsabschnitt abgestrahlt wird, und eine Linie, die zwei Punkte verbindet, die in der anderen Richtung der zwei Dimensionen verschieden sind und an die das Licht durch einen zweiten Signalerfassungsabschnitt 70b abgestrahlt wird, sich kreuzen.

Description

RÜCKVERWEISUNGEN AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Erfindung enthält einen Gegenstand, der auf die japanische Patentanmeldung JP 2011-106684 (publiziert als JP 2012-237644 A ), eingereicht beim japanischen Patentamt am 11. Mai 2011, deren gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen wird, bezogen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verlagerungsdetektionsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Verlagerung einer zu messenden Oberfläche mit hoher Genauigkeit mit einem kontaktlosen Sensor, der Licht verwendet, zu detektieren.
Beschreibung des Standes der Technik:
Herkömmlich werden Verlagerungsdetektionsvorrichtungen umfangreich als Vorrichtungen zum Messen einer Verlagerung und Form einer zu messenden Oberfläche verwendet.
Unter solchen Verlagerungsdetektionsvorrichtungen gibt es einen Typ von Verlagerungsdetektionsvorrichtung, der dazu ausgelegt ist, Licht auf ein Beugungsgitter zu strahlen, das an einer zu messenden Oberfläche befestigt ist, und die Phasenänderung eines gebeugten Lichtbündels, das die Verlagerung des zu messenden Objekts begleitend erzeugt wird, zu detektieren.
Die japanische Patentveröffentlichung JP 4 023 923 B2 (nachstehend als „Patentdokument 1“ bezeichnet) offenbart beispielsweise eine Technik, in der ein kohärentes Lichtbündel, das von einer Lichtquelle emittiert wird, in zwei kohärente Lichtbündel aufgeteilt wird und die zwei kohärenten Lichtbündel auf ein Beugungsgitter einfallen. Zwei gebeugte Lichtbündel, die durch die zwei kohärenten Lichtbündel erzeugt werden, die auf das Beugungsgitter einfallen, werden durch ein optisches Reflexionssystem reflektiert, so dass sie wieder auf das Beugungsgitter einfallen.
Durch ein solches Verfahren wird das einmal gebeugte Licht durch das optische Reflexionssystem reflektiert und erneut durch das Beugungsgitter gebeugt, wodurch es möglich ist, die Detektionsauflösung zu verbessern.
In der im Patentdokument 1 offenbarten Technik erzeugt insbesondere das kohärente Licht, das auf das Beugungsgitter einfällt, ein Bild auf dem Beugungsgitter. Ferner wird das gebeugte Licht in einer solchen Weise reflektiert, dass das gebeugte Licht, das durch das Beugungsgitter gebeugt wird, durch einen Abbildungsabschnitt in paralleles Licht kollimiert wird, so dass das Licht ständig senkrecht auf einen Reflektor einfällt.
Mit einer solchen Anordnung kann die Abweichung der Bildposition des gebeugten Lichts auf dem Gitter verhindert werden, außerdem kann die Abweichung der optischen Achse des gebeugten Lichts verhindert werden. Folglich Ist es möglich, eine Positionsdetektion mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
Die Druckschrift US 2006/0139654 A1 beschreibt einen Verschiebungsdetektor, der Folgendes umfasst: eine Lichtquelle; einen Strahlteller zum Teilen des Lichts, das von der Lichtquelle gesendet wird, in zwei Lichtstrahlen, Reflexionsspiegel für die zwei vom Strahlteiler gesendeten Lichtstrahlen, um diese beiden Lichtstrahlen zu reflektieren und sie auf eine Skala einfallen zu lassen; Eckwürfel, die für die gebeugten Lichtstrahlen vorgesehen sind, die erzeugt werden, wenn zwei auf die Skala einfallende Lichtstrahlen durch das Beugungsgitter gebeugt werden, wobei die Eckwürfel das gebeugte Licht zurückreflektieren und das Licht auf die Skala als retroreflektiertes Licht einfallen lassen. Der zwischen dem einfallenden Licht und dem normalen Linienvektor der Skala gebildete Einfallswinkel zur Gitterrille ist größer als der Beugungswinkel, der zwischen dem retroreflektierten Licht und dem normalen Linienvektor der Skala gebildet wird.
Die Druckschrift US 2005/0211887 A1 beschreibt eine Skala für einen reflektierenden fotoelektrischen Codierer, bei dem kein reflektierender Film auf den Seitenflächen von Phasengittern gebildet wird, wird ein Kantenwinkel-Theta des Phasengitters größer als 80 Grad und kleiner als 90 Grad eingestellt. Dementsprechend wird eine stabile Beugungseffizienz erhalten, selbst wenn es Variationen in der Form und Größe der Gitter gibt.
Die Druckschrift DE 196 52 563 A1 beschreibt eine Positionsmeßeinrichtung, bei der ein Maßstab als Phasengitter ausgebildet ist, auf das mehrere Teilstrahlenbündel treffen, dort gebeugt werden und in der Abtasteinheit miteinander interferieren. Der Eintrittswinkel der Teilstrahlenbündel entspricht dem Littrow-Winkel, so dass die gebeugten Teilstrahlenbündel 1. Beugungsordnung unter dem gleichen Winkel β = a gebeugt werden. Die Beugungseffizienz des Maßstabes ist besonders hoch, wenn die Flanken der Stege einen Winkel von etwa 70° gegenüber der Messrichtung einschließen, die Stege und Lücken im Querschnitt also trapezförmig ausgebildet sind.
Die Druckschrift US 2003 / 0 174 343 A1 beschreibt eine optische Verschiebungserfassungsvorrichtung, um die relative Verschiebung einer Beugungsgitterskala entlang einer Messachse zu bestimmen. Das Gitter kann reflektierend sein und der Gitterabstand kann kleiner als die Wellenlänge des Lichts der Verschiebungserfassungsvorrichtung sein. Die Erfassungsvorrichtung umfasst einen geteilten Lichtstrahleingangsabschnitt zum Eingeben von zwei geteilten Lichtstrahlen entlang der jeweiligen Lichtwege und Lichtstrahllenkungselemente zum Lenken der zwei geteilten Strahlen, um nahe einer ersten Zone auf dem Skalengitter zu konvergieren, um zwei gebeugte Strahlen zu erzeugen, die In der Nähe der ersten Zone divergieren. Die Erfassungsvorrichtung umfasst ferner Retroreflektorelemente zum Empfangen und Retroreflektieren der zwei gebeugten Strahlen, um nahe einer zweiten Zone auf dem Skalengitter zu konvergieren, um zwei später gebeugte Lichtstrahlen zu erzeugen, die divergieren und auf eine gemeinsame Zone gerichtet sind. Ein optischer Detektor erfasst mindestens eine Beleuchtungscharakteristik, die sich aus der gemeinsamen Zone ergibt, und erfasst so die Verschiebung der Gitterskala entlang der Messachse.
Schließlich beschreibt die Druckschrift JP H02-73118 A einen zweidimensionalen Verschiebungsdetekor, bei der ein Lichtstrahl von einer Lichtquelle in einem zweidimensionalen Verschiebungsdetektor eine zweidimensionale Skala erreicht und von dessen Teilungen als Beugungsgitter reflektiert wird. Licht X1 und X2 der jeweiligen Ordnung, die durch X-Abstufungen der Skala erzeugt werden, werden auf den Spiegeln reflektiert und durch Polarisatoren und einen Spiegel gemischt und in Richtung eines Spiegels reflektiert. Eine Hälfte dieses Lichts erreicht einen Fotodetektor durch den Spiegel und einen Analysator, und die andere Hälfte erreicht einen Fotodetektor durch einen Analysator. Die erfassten Periodensignale haben 90 Grad Phasendifferenz werden in einem Zähler gezählt, und der gezählte Wert wird auf einer X-Achsen-Anzeigevorrichtung angezeigt. Auf die gleiche Weise wird die Anzahl vertikaler streifenförmiger optischer Elemente, die den Strahl seitlich in Y-Richtung durchlaufen, auf einer Y-Achsen-Anzeigevorrichtung angezeigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist im unabhängigen Anspruch 1 definiert.
Gemäß dem im Patentdokument 1 offenbarten Verfahren wird, wenn das gebeugte Licht, das durch das Beugungsgitter gebeugt wird, wieder auf das Beugungsgitter einfällt, die Polarisationsrichtung um 90 Grad gedreht. Dies liegt daran, dass, indem bewirkt wird, dass die Polarisationsrichtung des kohärenten Lichts, das zuerst auf das Beugungsgitter einfällt, und die Polarisationsrichtung des gebeugten Lichts, das erhalten wird, nachdem es zweimal durch das Beugungsgitter gebeugt wurde, sich um 90 Grad voneinander unterscheiden, das kohärente Licht, das zuerst auf das Beugungsgitter einfällt, und das gebeugte Licht, das erhalten wird, nachdem es zweimal durch das Beugungsgitter gebeugt wurde, effizient voneinander getrennt werden können.
Um die Genauigkeit der Verlagerungsdetektion zu verbessern, ist andererseits eine kleinere Gitterperiode erforderlich. Wenn jedoch die Gitterperiode kleiner wird, wird die Beugungseffizienz von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts abhängig.
Mit dem im Patentdokument 1 offenbarten Verfahren ist folglich, selbst wenn die Beugungseffizienz des ersten gebeugten Lichtbündels hoch ist, die Beugungseffizienz des zweiten gebeugten Lichtbündels aufgrund der Änderung der Polarisationsrichtung verringert. Folglich wird das erhaltene Interferenzsignal schwach, so dass der Raum zum Erhöhen der Genauigkeit der Positionsdetektion begrenzt ist.
Angesichts der obigen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verlagerungsdetektionsvorrichtung zu schaffen, die eine hohe Beugungseffizienz aufweist und die eine Positionsdetektion mit hoher Genauigkeit durchführen kann, selbst wenn die Verlagerungsdetektionsvorrichtung eine Konfiguration aufweist, bei der das einmal durch ein Beugungsgitter gebeugte Licht durch das Beugungsgitter erneut gebeugt wird.
Um die vorstehend genannten Probleme zu lösen, umfasst eine Verlagerungsdetektionsvorrichtung ein Beugungsgitter mit einer trapezförmigen oder rechteckigen Reliefform.
Die Verlagerungsdetektionsvorrichtung umfasst ferner ein optisches Bestrahlungssystem mit einem Lichtquellenabschnitt zum Emittieren von kohärentem Licht und einem Strahlteiler zum Aufteilen des vom Lichtquellenabschnitt emittierten Lichts in zwei Strahlen, das dazu ausgelegt ist, die zwei Strahlen auf das Beugungsgitter als p-polarisiertes Licht abzustrahlen.
Die Verlagerungsdetektionsvorrichtung umfasst ferner ein optisches Reflexionssystem und ein optisches Interferenzsystem. Das optische Reflexionssystem reflektiert die zwei ersten gebeugten Lichtbündel auf das Beugungsgitter als p-polarisiertes Licht zurück. Das optische Interferenzsystem bewirkt, dass die zwei zweiten gebeugten Lichtbündel, die durch Ablenken der zwei ersten gebeugten Lichtbündel erzeugt werden, die wieder auf das Beugungsgitter einfallen, gebeugt werden, so dass sie miteinander interferieren, um Interferenzlicht zu erhalten.
Die Verlagerungsdetektionsvorrichtung umfasst ferner einen Lichtempfangsabschnitt, der dazu ausgelegt ist, das Interferenzlicht zu empfangen, und einen Positionsinformations-Detektionsabschnitt, der dazu ausgelegt ist, Positionsinformationen des Beugungsgitters auf der Basis eines im optischen Interferenzsystem erhaltenen Interferenzsignals zu detektieren.
Die Periode des Reliefs des Beugungsgitters ist nicht mehr als 1,5-mal die Wellenlänge des auf das Beugungsgitter einfallenden kohärenten Lichts.
In der Verlagerungsdetektionsvorrichtung ist die Periode des Reliefs des Beugungsgitters nicht mehr als 1,5-mal die Wellenlänge des einfallenden Lichts. Folglich ist es möglich, eine hohe Beugungseffizienz in Bezug auf das p-polarisierte Licht, das auf das Beugungsgitter einfällt, zu erreichen.
Ferner fällt das einmal durch das Beugungsgitter gebeugte Licht wieder auf das Beugungsgitter als p-polarisiertes Licht ein. Folglich kann eine hohe Beugungseffizienz selbst dann erreicht werden, wenn das Licht wieder auf das Beugungsgitter einfällt.
Mit der Verlagerungsdetektionsvorrichtung kann, da es möglich ist, eine hohe Beugungseffizienz in Bezug auf das auf das Beugungsgitter einfallende Licht zu erreichen, ein starkes Interferenzsignal erhalten werden und daher kann eine Positionsdetektion mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Konfiguration eines Signalerfassungsabschnitts einer Verlagerungsdetektionsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Ansicht, die eine schematische Konfiguration des Signalerfassungsabschnitts der Verlagerungsdetektionsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
3 ist eine Ansicht zum Erläutern des Winkels des auf ein Beugungsgitter einfallenden Lichts;
4A und 4B sind Ansichten, die jeweils einen optischen Weg zeigen, entlang dessen ein zweites gebeugtes Licht durch ein optisches Reflexionssystem reflektiert wird;
5 ist ein Diagramm zum Erläutern der Intensität eines Interferenzsignals, wenn das Beugungsgitter geneigt ist;
6 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Positionsinformations-Detektionsabschnitts zeigt;
7 ist ein schematischer Querschnitt des Beugungsgitters;
8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Form des Reliefs des Beugungsgitters und der Intensität des gebeugten Lichts zeigt;
9 ist eine Ansicht, die das auf das Beugungsgitter einfallende Licht zeigt;
10 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Zustandes, in dem zwei Signalerfassungsabschnitte in Bezug auf ein zweidimensionales Beugungsgitter angeordnet sind;
11 ist eine Ansicht, die das gebeugte Licht zeigt, das durch das zweidimensionale Beugungsgitter erzeugt wird;
12 ist ein schematischer Querschnitt des zweidimensionalen Beugungsgitters;
13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Form des Reliefs des zweidimensionalen Beugungsgitters und der Intensität eines Beugungslichts +1. Ordnung zeigt;
14 ist ein weiteres Diagramm, das die Beziehung zwischen der Form des Reliefs des zweidimensionalen Beugungsgitters und der Intensität des Beugungslichts +1. Ordnung zeigt;
15 ist ein weiteres anderes Diagramm, das die Beziehung zwischen der Form des Reliefs des zweidimensionalen Beugungsgitters und der Intensität des Beugungslichts +1. Ordnung zeigt;
16 ist ein weiteres anderes Diagramm, das die Beziehung zwischen der Form des Reliefs des zweidimensionalen Beugungsgitters und der Intensität des Beugungslichts +1. Ordnung zeigt;
17 ist ein weiteres anderes Diagramm, das die Beziehung zwischen der Form des Reliefs des zweidimensionalen Beugungsgitters und der Intensität des Beugungslichts +1. Ordnung zeigt;
18 ist ein weiteres anderes Diagramm, das die Beziehung zwischen der Form des Reliefs des zweidimensionalen Beugungsgitters und der Intensität des Beugungslichts +1. Ordnung zeigt;
19 ist eine Ansicht zum Erläutern des Winkels des auf das Beugungsgitter einfallenden Lichts;
20 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die einen Signalerfassungsabschnitt einer Verlagerungsdetektionsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
21 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration des Signalerfassungsabschnitts der Verlagerungsdetektionsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
22 ist eine weitere Ansicht, die schematisch die Konfiguration des Signalerfassungsabschnitts der Verlagerungsdetektionsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
23 ist ein Diagramm zum Erläutern der Intensität des Interferenzsignals, wenn das Beugungsgitter geneigt ist;
24A und 24B sind Ansichten, die jeweils schematisch die Konfiguration von zwei Signalerfassungsabschnitten einer Verlagerungsdetektionsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen; und
25 ist eine Ansicht zum Erläutern von Positionen, in denen Licht durch die zwei Signalerfassungsabschnitte abgestrahlt wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen zur Ausführung der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt.
Die Beschreibung wird in der folgenden Reihenfolge durchgeführt.

1. Erste Ausführungsform
- 1-1. Konfiguration eines Signalerfassungsabschnitts
- 1-2. Konfiguration eines Detektionsabschnitts
- 1-3. Konfiguration eines Beugungsgitters
2. Zweite Ausführungsform
3. Dritte Ausführungsform

Erste Ausführungsform
Konfiguration eines Signalerfassungsabschnitts
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Konfiguration einer Verlagerungsdetektionsvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine schematische Vorderansicht der Verlagerungsdetektionsvorrichtung 100. In der Verlagerungsdetektionsvorrichtung 100 werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen zuerst ein Beugungsgitter 1 und ein Signalerfassungsabschnitt 50 beschrieben, wobei der Signalerfassungsabschnitt 50 dazu ausgelegt ist, Licht auf das Beugungsgitter 1 abzustrahlen, um ein Interferenzsignal zu erzeugen, und das Interferenzsignal zu empfangen.
Im Übrigen umfasst die Verlagerungsdetektionsvorrichtung 100 das Beugungsgitter 1, den Signalerfassungsabschnitt 50 und einen Positionsinformations-Detektionsabschnitt 60 (der später beschrieben werden soll), der dazu ausgelegt ist, Positionsinformationen auf der Basis des erfassten Interferenzsignals zu detektieren.
Das Beugungsgitter 1 ist ein reflektierendes Beugungsgitter; und wie in 1 gezeigt, ist die periodische Struktur des Beugungsgitters 1 in der X-Achsen-Richtung ausgebildet. Das Beugungsgitter 1 ist an einem zu detektierenden Objekt befestigt, so dass, wenn sich das zu detektierende Objekt bewegt, das Beugungsgitter 1 sich ebenfalls bewegt.
Ferner umfasst der Signalerfassungsabschnitt 50 ein optisches Bestrahlungssystem 10, ein optisches Reflexionssystem 20, ein optisches Interferenzsystem 30 und einen Lichtempfangsabschnitt 40.
Das optische Bestrahlungssystem 10 umfasst einen Lichtquellenabschnitt 2 zum Emittieren eines kohärenten Lichts, ein Strahlteilungselement 4, das im optischen Weg des vom Lichtquellenabschnitt 2 emittierten Lichts angeordnet ist, und zwei Spiegel 5, 6, die dazu ausgelegt sind, zwei Strahlen, die durch das Strahlteilungselement 4 aufgeteilt werden, zu reflektieren, so dass die Strahlen zum Beugungsgitter 1 geführt werden.
Der Lichtquellenabschnitt 2 ist beispielsweise durch eine Halbleiterlaserdiode, einer Superlumineszenzdiode, eine Lumineszenzdiode oder dergleichen konfiguriert.
Das vom Lichtquellenabschnitt 2 emittierte kohärente Licht wird durch eine Linse 3 durchgelassen und fällt dann auf das Strahlteilungselement 4 ein. Die Linse 3 ist dazu ausgelegt, zu bewirken, dass das vom Lichtquellenabschnitt 2 emittierte kohärente Licht ein Bild auf dem Beugungsgitter 1 erzeugt.
Ein nicht polarisierender Strahlteiler wird beispielsweise als Strahlteilungselement 4 verwendet. Das vom Lichtquellenabschnitt 2 emittierte kohärente Licht wird durch das Strahlteilungselement 4 in einen ersten Strahl L1 und einen zweiten Strahl L2 aufgeteilt.
Der erste Strahl L1, der durch das Strahlteilungselement 4 reflektiert wird, wird durch den Spiegel 5 reflektiert und dadurch wird dessen optischer Weg geändert, so dass der erste Strahl L1 an einem Punkt P1 auf das Beugungsgitter 1 einfällt. Ferner wird der zweite Strahl L2, der durch das Strahlteilungselement 4 durchgelassen wird, durch einen Spiegel 6 reflektiert, so dass er an einem Punkt P2 auf das Beugungsgitter 1 einfällt.
Die Punkte P1, P2 sind entlang der Periodenrichtung (d. h. der X-Achsen-Richtung) des Beugungsgitters 1 angeordnet.
Hier liegen der erste Strahl L1 und der zweite Strahl L2 in einer Ebene S2, die um einen Winkel γ in Bezug auf eine Ebene S1 geneigt ist, die zur Oberfläche des Beugungsgitters 1 senkrecht und zur Periodenrichtung (d. h. zur X-Achsen-Richtung) des Beugungsgitters 1 parallel ist.
Die Strahlen L1, L2 fallen auf das Beugungsgitter 1 als p-polarisiertes Licht ein. Insbesondere ist in der vorliegenden Erfindung das p-polarisierte Licht, das auf das Beugungsgitter 1 einfällt, als polarisiertes Licht definiert, dessen Polarisationsrichtung sich entlang der Ebene S2 erstreckt, in der die Strahlen L1, L2 liegen.
In dem Fall, in dem beispielsweise ein Halbleiterlaser als Lichtquelle des Lichtquellenabschnitts 2 verwendet wird, kann, da ein linear polarisiertes Licht emittiert wird, die Polarisationsrichtung der Strahlen L1, L2 so eingestellt werden, dass sie mit der vorstehend genannten Polarisationsrichtung zusammenfällt, indem der Halbleiterlaser mit der optischen Achse des emittierten Lichts als Drehzentrum gedreht wird.
In dem Fall, in dem eine unpolarisierte Lichtquelle wie z. B. eine LED verwendet wird, kann die Polarisationsrichtung der Strahlen L1, L2 durch Konfigurieren des Lichtquellenabschnitts 2 mit der unpolarisierten Lichtquelle und einem Polarisationsfilter und Drehen des Lichtquellenabschnitts 2 eingestellt werden.
2 ist eine Vorderansicht der Verlagerungsdetektionsvorrichtung 100 aus der Y-Achsen-Richtung gesehen. Wie in 2 gezeigt, sind die Einfallspunkte P1, P2 der Strahlen L1, L2 in Positionen angeordnet, die in Bezug auf eine Strahlteilungsoberfläche 4a des Strahlteilungselements 4 zueinander symmetrisch sind.
Der Strahl L1, der am Punkt P1 einfällt, wird durch das Beugungsgitter 1 gebeugt, so dass ein erstes gebeugtes Licht L3 erzeugt wird.
In 2, die aus der Y-Achsen-Richtung betrachtet ist, kann, wenn der Einfallwinkel des ersten Strahls L1 θ1 ist und der Beugungswinkel des ersten gebeugten Lichts L3 θ2 ist, der Beugungswinkel θ2 durch die folgende Gleichung 1 ausgedrückt werden.
[Gleichung 1] $sin θ 2= \frac{m λ}{Λ cos ϕ} - sin θ 1$
Wobei „Λ“ die Gitterperiode des Beugungsgitters 1 darstellt; „λ“ die Wellenlänge des Lichts darstellt; „m“ die Beugungsordnung darstellt; und „Φ“ den Winkel zwischen dem Strahl L1, der auf das Beugungsgitter 1 einfällt, und der Ebene S1 darstellt. In der vorliegenden Ausführungsform gilt beispielsweise, da gebeugtes Licht 1. Ordnung als erstes gebeugtes Licht L3 verwendet wird, m = 1.
Φ wird nachstehend mit Bezug auf 3 genauer beschrieben. Wie vorstehend beschrieben, liegt der Strahl L1 in der Ebene S2; und ferner ist die Ebene S2 um den Winkel γ in Bezug auf die Ebene S1 geneigt, die zur Oberfläche des Beugungsgitters 1 senkrecht und zur Periodenrichtung des Beugungsgitters 1 parallel ist.
Der Einfallswinkel eines Strahls L1', der durch Projizieren des Strahls L1 auf die Ebene S1 erhalten wird, ist θ1 und der Winkel zwischen dem Strahl L1 und dem Strahl L1' ist Φ.
Das erste gebeugte Licht L3 wird durch eine Linse 7 kollimiert, so dass es im Wesentlichen senkrecht auf einen Spiegel 8 einfällt.
Wie in 4A gezeigt, ist der Brennpunkt der Linse 7 auf der Seite des Beugungsgitters 1 auf dem Beugungsgitter 1 angeordnet. Selbst wenn das Beugungsgitter 1 in einer Gierrichtung (einer Richtung innerhalb der Oberfläche des Beugungsgitters 1, d. h. einer Richtung innerhalb der X-Y-Ebene in 1) und/oder in einer Nickrichtung (einer Richtung innerhalb der X-Z-Ebene) gedreht wird, ändert sich der Einfallswinkel, in dem das erste gebeugte Licht L3, das durch den Spiegel 8 reflektiert wird, wieder auf das Beugungsgitter 1 einfällt, folglich nicht. Folglich kann eine Abnahme des Interferenzsignals verringert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch die Linse 7 so angeordnet, dass die optische Achse Ax der Linse 7 geringfügig um einen Abstand d in Bezug auf das erste gebeugte Licht L3, das vom Punkt P1 auf dem Beugungsgitter 1 erzeugt wird, verschoben ist.
Wie in 4A gezeigt, wird folglich das erste gebeugte Licht L3, das auf den Spiegel 8 einfällt, durch den Spiegel 8 entlang eines optischen Weges reflektiert, der vom optischen Weg verschieden ist, entlang dessen das erste gebeugte Licht L3 auf den Spiegel 8 einfällt. Ferner fällt das erste gebeugte Licht L3, das durch den Spiegel 8 reflektiert wird, am Punkt P2 auf das Beugungsgitter 1 in einem Einfallswinkel θ3 ein, der vom Beugungswinkel θ2 des ersten gebeugten Lichts L3 verschieden ist.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine weitere mögliche Konfiguration, in der, wie in 4B gezeigt, die Linse 7 so angeordnet ist, dass die optische Achse des ersten gebeugten Lichts L3, das auf die Linse 7 vom Punkt P1 des Beugungsgitters 1 einfällt, mit der optischen Achse der Linse 7 zusammenfällt, und die Reflexionsoberfläche des Spiegels 8 um Δθ von 90 Grad in Bezug auf die optische Achse der Line 7 geneigt ist.
Mit einer solchen Konfiguration ist es auch möglich, dass das erste gebeugte Licht L3, das durch den Spiegel 8 reflektiert wird, am Punkt P2, der vom Punkt P1 verschieden ist, auf das Beugungsgitter 1 einfällt. Im Übrigen ist der Brennpunkt der Linse 7 am Punkt P1 auf dem Beugungsgitter 1 angeordnet.
In einer solchen Weise kann selbst, wenn der optische Weg des ersten gebeugten Lichts L3, das vom Beugungsgitter 1 auf die Linse 7 einfällt, vom optischen Weg des ersten gebeugten Lichts L3, das durch den Spiegel 8 reflektiert wird, verschieden ist, eine Schwächung des Interferenzsignals auch durch Anordnen des Brennpunkts der Linse 7 auf dem Beugungsgitter 1 verringert werden, wie vorstehend beschrieben.
5 ist ein Diagramm, das durch Simulieren der Änderung des Interferenzsignals, wenn das Beugungsgitter 1 in der Gierrichtung und der Nickrichtung gedreht wird, in der Verlagerungsdetektionsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhalten wird.
In der Simulation ist die Brennweite der Linse 7 25 mm und die Brennpunktposition der Linse 7 ist auf dem Beugungsgitter 1 angeordnet. Ferner ist der Abstand zwischen dem Punkt P1 und dem Punkt P2 1 mm. In dem in 5 gezeigten Diagramm stellt die vertikale Achse die Intensität des Interferenzsignals dar, wobei die Intensität des Interferenzsignals, wenn der Drehwinkel des Beugungsgitters 1 0 Grad ist, als 1 definiert ist; und die horizontale Achse stellt den Drehwinkel des Beugungsgitters 1 dar.
Wie durch die Kurve B1 in 5 gezeigt, ändert sich die Intensität des Interferenzsignals fast nicht, falls das Beugungsgitter 1 in der Gierrichtung gedreht wird.
In der durch die Kurve B2 gezeigten Nickrichtung wird ferner die Intensität des Interferenzsignals auf 0,5 oder höher gehalten, selbst wenn der Drehwinkel 0,5 Grad ist.
In dem Fall, in dem beispielsweise die Linse 7 nicht vorgesehen ist, wird das Interferenzsignal null, selbst wenn der Drehwinkel in der Nickrichtung 1 Bogenminute oder kleiner ist. Folglich ist bekannt, dass, selbst wenn der optische Weg des ersten gebeugten Lichts L3, das vom Beugungsgitter 1 auf die Linse 7 einfällt, vom optischen Weg des ersten gebeugten Lichts L3, das durch den Spiegel 8 reflektiert wird, verschieden ist, eine Schwächung des Interferenzsignals ausreichend verringert werden kann.
Mit Rückbezug auf 1 und 2 wird nun das erste gebeugte Licht L3, das am Punkt P2 auf das Beugungsgitter 1 im Einfallwinkel θ3 einfällt, durch das Beugungsgitter 1 gebeugt, so dass ein zweites gebeugtes Licht L4 mit einem Beugungswinkel θ4 erzeugt wird. In der vorliegenden Erfindung ist das zweite gebeugte Licht L4 ein gebeugtes Licht 1. Ordnung.
Das zweite gebeugte Licht L4 fällt wieder auf den Spiegel 5 ein. In der vorliegenden Ausführungsform, wie durch den Punkt P1 und den Punkt P2 in 2 gezeigt, ist jedoch die Position, in der der erste Strahl L1 auf das Beugungsgitter 1 einfällt, von der Position, in der das zweite gebeugte Licht L4 am Beugungsgitter 1 erzeugt wird, verschieden. Folglich ist es möglich, den optischen Weg des ersten Strahls L1 bzw. den optischen Weg des zweiten gebeugten Lichts L4 so festzulegen, dass es möglich ist, den ersten Strahl L1 und das zweite gebeugte Licht L4 leicht voneinander zu trennen.
Durch Einstellen des Einfallswinkels θ1, in dem der erste Strahl L1 auf das Beugungsgitter 1 einfällt, und des Beugungswinkels θ4 des zweiten gebeugten Lichts L4, auf voneinander verschiedene Werte ist es ferner möglich, den optischen Weg des ersten Strahls L1 und den optischen Weg des zweiten gebeugten Lichts L4 weitgehend voneinander zu trennen. Der Einfallswinkel θ1 des ersten Strahls L1 und der Beugungswinkel θ4 des zweiten gebeugten Lichts L4 können beispielsweise durch Einstellen des Winkels des Spiegels 5, des Verschiebungsausmaßes der optischen Achse der Linse 7 und/oder dergleichen geändert werden.
Es ist jedoch bevorzugt, dass der Einfallswinkel θ1 und der Beugungswinkel θ4 innerhalb eines Bereichs, in dem der erste Strahl L1 und das zweite gebeugte Licht L4 ausreichend voneinander getrennt werden können, so klein wie möglich festgelegt werden.
Andererseits wird der zweite Strahl L2, der durch das Strahlteilungselement 4 durchgelassen wird, durch den Spiegel 6 reflektiert, so dass er am Punkt P2 auf das Beugungsgitter 1 im Einfallwinkel θ1 einfällt. Wie in 2 gezeigt, sind der Spiegel 6, eine Linse 9 und ein Spiegel 11 jeweils zum Spiegel 5, zur Linse 7 und zur Spiegel 8 in Bezug auf die Strahlteilungsoberfläche 4a des Strahlteilungselements 4 symmetrisch.
Folglich verläuft der zweite Strahl L2, der am Punkt P2 auf das Beugungsgitter 1 einfällt, durch einen optischen Weg, der zum optischen Weg des ersten Strahls L1, der am Punkt P1 auf das Beugungsgitter 1 einfällt, symmetrisch ist.
Der zweite Strahl L2, der am Punkt P2 auf das Beugungsgitter 1 einfällt, wird beispielsweise durch das Beugungsgitter 1 gebeugt, so dass ein erstes gebeugtes Licht L5 mit einem Beugungswinkel θ2 erzeugt wird. Das erste gebeugte Licht L5 wird durch die Linse 9 durchgelassen und dann durch den Spiegel 11 reflektiert, so dass es wieder auf die Linse 9 einfällt. Das erste gebeugte Licht L5, das durch die Linse 9 durchgelassen wird, fällt auf das Beugungsgitter 1 am Punkt P1 ein, an dem ein zweites gebeugtes Licht L6 mit einem Beugungswinkel θ4 erzeugt wird.
Ferner fällt das zweite gebeugte Licht L6 wieder auf den Spiegel 6 ein.
Der optische Weg des ersten Strahls L1 in dem Segment vom Einfall am Punkt P1, bis er wieder auf den Spiegel 5 als zweites gebeugtes Licht L4 einfällt, und der optische Weg des zweiten Strahls L6 in dem Segment vom Einfall am Punkt P2, bis er wieder als zweites gebeugtes Licht L6 auf den Spiegel 6 einfällt, verlaufen beide durch den Punkt P1 und den Punkt P2 auf dem Beugungsgitter 1.
Selbst wenn ein lokaler Formfehler im Beugungsgitter 1 vorliegt, kann folglich, da die zweiten gebeugten Lichtbündel L4, L6 gleich beeinflusst werden, verhindert werden, dass der lokale Formfehler zu einer Fehlerquelle wird.
Die zweiten gebeugten Lichtbündel L4, L6, die durch den Spiegel 5 bzw. den Spiegel 6 reflektiert werden, fallen auf das optische Interferenzsystem 30 ein.
Das optische Interferenzsystem 30 umfasst eine Halbwellenplatte 12, die im optischen Weg des zweiten gebeugten Lichts L6 angeordnet ist, einen Lichtkombinator 13 zum Kombinieren der zwei zweiten gebeugten Lichtbündel L4, L6 und eine Viertelwellenplatte 16, die im optischen Weg des durch den Lichtkombinator 13 kombinierten Lichts angeordnet ist.
Das optische Interferenzsystem 30 umfasst ferner einen nicht polarisierenden Strahlteiler 17, der dazu ausgelegt ist, den durch die Viertelwellenplatte 16 durchgelassenen Strahl aufzuteilen, und zwei Polarisationsstrahlteiler 18, 19, die jeweils in den optischen Wegen der durch den nicht polarisierenden Strahlteiler 17 aufgeteilten Strahlen angeordnet sind.
Das zweite gebeugte Licht L6 wird durch die Halbwellenplatte 12 durchgelassen und dadurch wird dessen Polarisationsrichtung um 90 Grad gedreht, und fällt auf den Lichtkombinator 13 als s-polarisiertes Licht ein. Ferner wird das zweite gebeugte Licht L4 durch ein wirkungsloses Glas 14 durchgelassen und fällt dann auf den Lichtkombinator 13 als p-polarisiertes Licht ein.
Das wirkungslose Glas 14 weist dieselbe optische Weglänge wie jene der Halbwellenplatte 12 auf. Folglich weist das zweite gebeugte Licht L6, das durch die Halbwellenplatte 12 durchgelassen wird, dieselbe optische Weglänge wie jene des zweiten gebeugten Lichts L4, das durch das wirkungslose Glas 14 durchgelassen wird, auf.
Das zweite gebeugte Licht L4 wird durch den Lichtkombinator 13, der ein Polarisationsstrahlteiler oder dergleichen ist, als p-polarisiertes Licht durchgelassen; und das zweite gebeugte Licht L6, das s-polarisiertes Licht ist, wird durch den Lichtkombinator 13 reflektiert. Folglich werden das zweite gebeugte Licht L4 und das zweite gebeugte Licht L6 im gleichen optischen Weg kombiniert.
In der vorliegenden Ausführungsform ist, da zwei Strahlen, die p-polarisierte Lichtbündel sind, auf das Beugungsgitter 1 einfallen, ein nicht polarisierender Strahlteiler als Strahlteilungselement 4 vorgesehen.
Wie vorstehend beschrieben ist, können, da die zweiten gebeugten Lichtbündel L4, L6 durch die Spiegel 5, 6 entlang optischer Wege reflektiert werden, die von den optischen Wegen der Strahlen L1, L2 verschieden sind, der Lichtkombinator 13 und das Strahlteilungselement 4 angeordnet werden, ohne einander zu behindern.
Die kombinierten zweiten gebeugten Lichtbündel L4, L6 werden durch eine Linse 15 durchgelassen, so dass sie auf die Viertelwellenplatte 16 einfallen. Im Übrigen ist die Linse 15 dazu ausgelegt zu bewirken, dass die zweiten gebeugten Lichtbündel L4, L6 auf vier Lichtempfangselemente 21, 22, 23, 24 kondensiert werden.
Die Viertelwellenplatte 16 ist so angeordnet, dass deren optische Achse um 45 Grad in Bezug auf die Polarisationsrichtung der zweiten gebeugten Lichtbündel L4, L6 geneigt ist. Wenn die zweiten gebeugten Lichtbündel L4, L6 durch die Viertelwellenplatte 16 durchgelassen werden, werden sie folglich zu zwei zirkular polarisierten Lichtbündeln mit zueinander umgekehrten Drehrichtungen.
Da die zweiten gebeugten Lichtbündel L4, L6 im gleichen optischen Weg angeordnet sind, überlagern sie sich ferner aufeinander, so dass sie dadurch zu linear polarisiertem Licht werden, dessen Polarisationsrichtung sich gemäß der Änderung Phasendifferenz zwischen den zweiten gebeugten Lichtbündeln L4, L6 (d. h. der durch die Verlagerung des Beugungsgitters 1 verursachten Phasenänderung) dreht.
Das linear polarisierte Licht wird durch den nicht polarisierenden Strahlteiler 17 wie z. B. einen Halbspiegel oder dergleichen in zwei Strahlen aufgeteilt.
Der durch den nicht polarisierenden Strahlteiler 17 reflektierte Strahl fällt auf den Polarisationsstrahlteiler 18 ein, an dem der Strahl in eine s-polarisierte Lichtkomponente und eine p-polarisierte Lichtkomponente aufgeteilt wird.
Ebenso fällt der durch den nicht polarisierenden Strahlteiler 17 durchgelassene Strahl auf den Polarisationsstrahlteiler 19 ein, an dem der Strahl in eine s-polarisierte Lichtkomponente und eine p-polarisierte Lichtkomponente aufgeteilt wird.
Die s-polarisierte Lichtkomponente und die p-polarisierte Lichtkomponente werden vom Lichtempfangsabschnitt 40 empfangen. Der Lichtempfangsabschnitt 40 umfasst die Lichtempfangselemente 21, 22 zum jeweiligen Empfangen der durch den Polarisationsstrahlteiler 18 aufgeteilten Strahlen, und die Lichtempfangselemente 23, 24 zum jeweiligen Empfangen der durch den Polarisationsstrahlteiler 19 aufgeteilten Strahlen. Eine Photodiode oder dergleichen kann beispielsweise als jedes der Lichtempfangselemente 21 bis 24 verwendet werden.
Die p-polarisierte Lichtkomponente, die durch den Polarisationsstrahlteiler 18 durchgelassen wird, wird vom Lichtempfangselement 21 empfangen und die s-polarisierte Lichtkomponente, die durch den Polarisationsstrahlteiler 18 reflektiert wird, wird vom Lichtempfangselement 22 empfangen.
Wenn zwei Komponenten, deren Polarisationsrichtungen um α Grad voneinander verschieden sind, durch einen Polarisator wie z. B. einen Polarisationsstrahlteiler oder dergleichen vom linear polarisierten Licht gewonnen werden, sind die Phasen der Signale, die auf der Basis der Intensität der gewonnenen Lichtbündel detektiert werden, um 2α Grad voneinander verschieden.
Hier werden zwei polarisierte Lichtkomponenten, deren Polarisationsrichtungen um 90 Grad voneinander verschieden sind, durch den Polarisationsstrahlteiler 18 gewonnen und die Phasen der Intensitätssignale der Lichtbündel, die durch die Lichtempfangselemente 21, 22 detektiert werden, sind um 180 Grad voneinander verschieden.
Folglich ist es möglich, die Gleichstromkomponente des Signals durch Berechnen der Differenz zwischen dem Intensitätssignal des Lichts das vom Lichtempfangselement 21 erhalten wird, und dem Intensitätssignal des Lichts, das vom Lichtempfangselement 22 erhalten wird, zu entfernen.
Unter den Strahlen, die auf den Polarisationsstrahlteiler 19 einfallen, wird andererseits die s-polarisierte Lichtkomponente, die durch den Polarisationsstrahlteiler 19 reflektiert wird, vom Lichtempfangselement 23 empfangen; während die p-polarisierte Lichtkomponente, die durch den Polarisationsstrahlteiler 19 durchgelassen wird, vom Lichtempfangselement 24 empfangen wird.
Hier sind die Phasen der Intensitätssignale der Lichtbündel, die durch die Lichtempfangselemente 23, 24 detektiert werden, auch um 180 Grad voneinander verschieden.
Ferner ist der Polarisationsstrahlteiler 19 schräg angeordnet, so dass eine polarisierte Lichtkomponente mit einer Polarisationsrichtung, die von der Polarisationsrichtung der polarisierten Lichtkomponente, die durch den Polarisationsstrahlteiler 18 gewonnen wird, um 45 Grad verschieden ist, gewonnen wird.
Wenn das s-polarisierte Licht, das durch den Polarisationsstrahlteiler 19 reflektiert wird, durch das Lichtempfangselement 23 empfangen wird, ist folglich das Intensitätssignal des Lichts ein Signal, dessen Phase um 90 Grad von jener des durch das Lichtempfangselement 21 erhaltenen Signals verschieden ist.
Wenn das p-polarisierte Licht, das durch den Polarisationsstrahlteiler 19 durchgelassen wird, vom Lichtempfangselement 24 empfangen wird, ist ferner das Intensitätssignal des Lichts ein Signal, dessen Phase um 90 Grad von jener des durch das Lichtempfangselement 22 erhaltenen Signals verschieden ist.
Folglich kann ein Lissajous-Signal beispielsweise unter Verwendung der Signale, die durch die Lichtempfangselemente 21, 22 als Sinussignale erhalten werden, und unter Verwendung der Signale, die durch die Lichtempfangselemente 23, 24 als Cosinussignale erhalten werden, erhalten werden.
Im Übrigen ist das Interferenzsignal, das durch die Lichtempfangselemente 21 bis 24 erhalten wird, ein Stromsignal, das durch die folgende Gleichung 2 ausgedrückt wird.
[Gleichung 2] $I = I_{1} + I_{2} + 2 \sqrt{I_{1} I_{2}} cos (4 K x + δ)$
Wobei „I₁“ und „I₂“ die Intensitäten des zweiten gebeugten Lichts L4, L6 darstellen, die jeweils durch die Lichtempfangselemente 21 bis 24 erhalten werden, „K“ die Wellenzahl des Beugungsgitters 1 darstellt und „δ“ die anfängliche Phase darstellt. Wenn die Gitterperiode des Beugungsgitters 1 Λ ist, kann die Wellenzahl K ausgedrückt werden als: K = 2π/Λ. Ferner stellt „x“ die Verlagerung des Beugungsgitters 1 dar.
Wenn das Beugungsgitter 1 um Λ/4 in der X-Achsen-Richtung verlagert wird, ändert sich folglich das Interferenzsignal um einen Zyklus.
In dem Fall, in dem eine Lichtquelle, deren Kohärenzlänge innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, als Lichtquellenabschnitt 2 verwendet wird, ist es ferner bevorzugt, dass die optische Weglänge des ersten Strahls L1 im Segment, bis er auf den Lichtkombinator 13 als zweites gebeugtes Licht L4 einfällt, gleich der optischen Weglänge des zweiten Strahls L2 in dem Segment, bis er auf den Lichtkombinator 13 als zweites gebeugtes Licht L6 einfällt, ist.
Folglich kann der durch die Schwankung der Wellenlänge verursachte Fehler verringert werden. Beispiele einer solchen Lichtquelle umfassen beispielsweise eine Multimoden-Halbleiterlaserdiode, eine Superlumineszenzdiode und dergleichen.
Unter Verwendung einer solchen Lichtquelle ist es möglich, eine Differenz der optischen Weglänge als Änderung der Sichtbarkeit der Interferenzstreifen leicht zu detektieren. Ferner kann die optische Weglänge durch Einstellen der Positionen der Spiegel 5, 6 oder der Positionen der Spiegel 8, 11 eingestellt werden.
Konfiguration des Detektionsabschnitts
Das durch die Lichtempfangselemente 21 bis 24 erhaltene Signal wird durch den Positionsinformations-Detektionsabschnitt 60, der in 6 gezeigt ist, berechnet und die Menge an Verlagerung der zu messenden Oberfläche wird gezählt.
Die Stromsignale, die durch die Lichtempfangselemente 21, 22 erhalten werden, werden durch zwei I/V-Umsetzer 25, 26 in Spannungssignale umgesetzt. Die durch die I/V-Umsetzer 25, 26 umgesetzten Spannungssignale werden durch einen Differenzverstärker 29 differenzverstärkt, so dass die Gleichstromkomponente des Interferenzsignals aufgehoben wird.
Ferner wird ein solches Signal durch einen A/D-Umsetzer 31 A/D-umgesetzt und das umgesetzte Signal wird in einen Digitalsignal-Verarbeitungsabschnitt 33 eingegeben. Im Digitalsignal-Verarbeitungsabschnitt 33 werden die Signalamplitude, der Signalversatz und die Signalphase des eingegebenen Signals korrigiert und das Signal wird beispielsweise als inkrementales A-Phasen-Signal ausgegeben.
Ebenso werden die durch die Lichtempfangselemente 23, 24 erhaltenen Stromsignale durch zwei I/V-Umsetzer 27, 28 in Spannungssignale umgesetzt. Ferner werden die Spannungssignale durch einen Differenzverstärker 37 differenzverstärkt und dann durch einen A/D-Umsetzer 32 A/D-umgesetzt.
Die Signalamplitude, der Signalversatz und die Signalphase des A/D-umgesetzten Signals werden durch den Digitalsignal-Verarbeitungsabschnitt 33 korrigiert und das Signal wird als inkrementales B-Phasen-Signal ausgegeben, dessen Phase von jener des inkrementalen A-Phasen-Signals um 90 Grad verschieden ist.
Ob die zwei Phasen der inkrementalen Signale, die in der vorstehend genannten Weise erhalten werden, positiv oder negativ sind, wird durch eine Impulsunterscheidungsschaltung oder dergleichen (in den Zeichnungen nicht gezeigt) unterschieden und dadurch ist es möglich zu detektieren, ob die Menge an Verlagerung der zu messenden Oberfläche in der X-Achsen-Richtung (siehe 1) in der positiven Richtung oder der negativen Richtung liegt.
Ferner ist es möglich, eine Messung, um festzustellen, wie viele der vorstehend genannten Zyklen der Intensität des Interferenzlichts des zweiten gebeugten Lichts L4 und des zweiten gebeugten Lichts L6 sich geändert haben, durch Zählen der Anzahl der Phasenänderung des inkrementalen Signals pro Zeiteinheit mit einem Zähler (in den Zeichnungen nicht gezeigt) durchzuführen. Folglich ist es möglich, die Menge an Verlagerung der zu messenden Oberfläche in der X-Achsen-Richtung zu detektieren.
Im Übrigen können die Positionsinformationen, die durch den Positionsinformations-Detektionsabschnitt 60 der vorliegenden Ausführungsform ausgegeben werden, entweder die vorstehend genannten zwei Phasen von inkrementalen Signalen oder ein Signal sein, das die Menge und Richtung der Verlagerung enthält, die auf der Basis der zwei Phasen von inkrementalen Signalen berechnet werden.
Ferner können die vorstehend genannte Impulsunterscheidungsschaltung und der Zähler auch in den Digitalsignal-Verarbeitungsabschnitt 33 eingebaut sein.
Konfiguration des Beugungsgitters
Eindimensionales Beugungsgitter
Wenn eine eindimensionale Positionsdetektion durchgeführt wird, kann ein Beugungsgitter 1 mit einem rechteckigen Relief, das in einer eindimensionalen Richtung (d. h. der X-Achsen-Richtung) angeordnet ist, wie in 7 gezeigt, verwendet werden. Wenn die Gitterperiode des Beugungsgitters 1 A ist, ist die Gitterperiode A nicht mehr als 1,5-mal die Wellenlänge λ des auf das Beugungsgitter 1 einfallenden Lichts.
Im Übrigen stellt λ die Wellenlänge des Lichts dar, wenn das Licht auf das Beugungsgitter 1 einfällt; und wenn die Wellenlänge des Lichts im Vakuum λ₀ ist und der Brechungsindex der Atmosphäre, die das Beugungsgitter 1 umgibt, n ist, dann wird die folgende Gleichung hergeleitet: λ = λ₀/n.
8 zeigt beispielsweise die Menge an Licht des gebeugten Lichts 1. Ordnung, das durch Simulation in einem Fall erhalten wird, in dem ein Licht mit einer Wellenlänge von 0,79 µm auf das Beugungsgitter 1 in θ1 = 20 ° einfiel, wobei γ = 0° (siehe 3) und Λ/λ = 1.
In der Simulation wurde das RCWA- (Rigorous Coupled Wave Theory) Verfahren verwendet. Das RCWA-Verfahren ist ein Verfahren, das in der Lage ist, das gebeugte Licht selbst in dem Fall genau zu simulieren, in dem die Gitterstruktur gleich der oder kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist.
Im Übrigen ist die Menge des Lichts, die durch die vertikale Achse dargestellt ist, als Zahlenwert auf der Basis einer Annahme ausgedrückt, dass die Menge des auf das Beugungsgitter 1 einfallenden Lichts 1 ist. Ferner stellt die horizontale Achse das Verhältnis der Tiefe d der Nut des Beugungsgitters 1 zur Wellenlänge λ dar. Ferner wird ein Beugungsgitter, das durch Ausbilden eines dünnen Goldfilms 35 auf einem Glassubstrat 34, in dem ein rechteckiges Relief ausgebildet ist, erzeugt wird, als Beugungsgitter 1 verwendet.
Die Kurve B3 (die einen Fall darstellt, in dem ein p-polarisiertes Licht, dessen Polarisationsrichtung sich entlang der Periodenrichtung des Beugungsgitters 1 erstreckt, auf das Beugungsgitter 1 einfällt) zeigt, dass die Menge an Licht bis zu mehr als maximal 0,8 erhalten werden kann.
Dagegen zeigt die Kurve B4 (die einen Fall darstellt, in dem ein s-polarisiertes Licht auf das Beugungsgitter 1 einfällt), dass, wenn d/λ in einen Bereich von 0,2 bis 0,3 fällt, die Menge an Licht fast null ist.
In den Fällen, in denen die Polarisationsrichtung des ersten Einfalls und die Polarisationsrichtung des zweiten Einfalls in Bezug auf das Beugungsgitter um 90 Grad voneinander verschieden sind, wie z. B. in dem im Patentdokument 1 beschriebenen Fall, ist folglich, selbst wenn der erste Einfall beispielsweise durch p-polarisiertes Licht durchgeführt wird, da der zweite Einfall durch ein s-polarisiertes Licht durchgeführt wird, die Menge des gebeugten Lichts im zweiten Einfall sehr klein.
Folglich ist es nicht möglich, die hohe Beugungseffizienz, die durch das p-polarisierte Licht erreicht wird, auszunutzen.
Ferner wird ein solcher Trend sowohl des p-polarisierten Lichts als auch des s-polarisierten Lichts in Bezug auf das Beugungsgitter 1 ausgeprägter, wenn Λ/λ 1,5 oder niedriger wird.
Andererseits fällt in der Verlagerungsdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform p-polarisiertes Licht auf das Beugungsgitter 1 sowohl im ersten Einfall als auch im zweiten Einfall ein. Folglich kann die hohe Beugungseffizienz sowohl bei der ersten Beugung als auch der zweiten Beugung erreicht werden und daher können die Lichtempfangselemente 21 bis 24 das Interferenzlicht mit stärkerer Intensität empfangen. Mit anderen Worten, es ist möglich, ein Detektionssignal mit einem hohen Rauschabstand zu erhalten.
Der Rauschabstand des Detektionssignals ist eine wichtige Bedingung, die zum Unterteilen eines Zyklus des Signals in mehrere tausend Bruchteile erforderlich ist, um eine hohe Auflösung zu erhalten.
Zweidimensionales Beugungsgitter
Wenn eine zweidimensionale Verlagerungsdetektion durchgeführt wird, kann ein Beugungsgitter 1 mit einer periodischen Struktur eines Reliefs, das in einer zweidimensionalen Richtung angeordnet ist, wie in 9 gezeigt, verwendet werden. Bei einem solchen Beugungsgitter 1 ist ein Relief mit einem rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt aus der X-Achsen-Richtung und der Y-Achsen-Richtung gesehen periodisch ausgebildet.
10 ist eine Draufsicht des Beugungsgitters 1 aus der Z-Achsen-Richtung gesehen. Zwei Signalerfassungsabschnitte 50a und 50b sind entsprechend der X-Achsen-Richtung bzw. der Y-Achsen-Richtung angeordnet und dadurch kann die Verlagerung sowohl in der X-Achsen-Richtung als auch der Y-Achsen-Richtung detektiert werden.
Die Signalerfassungsabschnitte 50a, 50b sind zu dem in 1 gezeigten Signalerfassungsabschnitt 50 identisch. Auf dem Beugungsgitter 1 sind jedoch die zwei Punkte, an denen das Licht vom Signalerfassungsabschnitt 50a einfällt, entlang der Y-Achsen-Richtung angeordnet, während die zwei Punkte, auf die das Licht vom Signalerfassungsabschnitt 50b einfällt, entlang der X-Achsen-Richtung angeordnet sind.
Mit einer solchen Anordnung erfasst der Signalerfassungsabschnitt 50a das Interferenzsignal, das durch die Verlagerung in der Y-Achsen-Richtung verursacht wird, die durch den Pfeil A1 angegeben ist, und der Signalerfassungsabschnitt 50b erfasst das Interferenzsignal, das durch die Verlagerung in der X-Achsen-Richtung verursacht wird, die durch den Pfeil A2 angegeben ist.
Die Positionsinformationen in sowohl der X-Achsen-Richtung als auch der Y-Achsen-Richtung können durch Verbinden des in 6 gezeigten Positionsinformations-Detektionsabschnitts 60 jeweils mit den Signalerfassungsabschnitten 50a, 50b detektiert werden.
Wenn Licht auf das zweidimensionale Beugungsgitter 1 einfällt, wird das gebeugte Licht in einer zweidimensionalen Richtung erzeugt. Wenn Licht beispielsweise auf das Beugungsgitter 1 in der X-Achsen-Richtung einfällt, wie durch den Pfeil A3 in 9 gezeigt, sind gebeugte Lichtbündel, die erzeugt werden können, in 11 gezeigt.
Wie durch die Pfeile „a“ bis „h“ in 11 gezeigt, können die gebeugten Lichtbündel in acht Richtungen innerhalb der Oberfläche des Beugungsgitters 1 erzeugt werden. Hier ist das gebeugte Licht 1. Ordnung, das zum ersten gebeugten Licht L3 in 2 äquivalent ist, das durch den Pfeil „b“ angegebene gebeugte Licht. Wenn eine Verlagerungsdetektion durchgeführt wird, sind folglich die anderen gebeugten Lichtbündel als das durch den Pfeil „b“ angegebene gebeugte Licht unnötig; und wenn die durch die Pfeile „a“ und „c“ bis „h“ angegebenen gebeugten Lichtbündel durch die Signalerfassungsabschnitte 50a, 50b empfangen werden, ist es nicht möglich, ein genaues Interferenzsignal zu erfassen.
Folglich ist es bevorzugt, die Intensität des gebeugten Lichts, das durch den Pfeil „b“ angegeben ist, zu erhöhen und die Intensität der durch die Pfeile „a“ und „c“ bis „h“ angegebenen gebeugten Lichtbündel so weit wie möglich zu verringern.
Daher wurde die Intensität der in den vorstehend genannten Richtungen erzeugten gebeugten Lichtbündel in dem Fall simuliert, in dem ein Winkel θ5 zwischen der Seitenfläche von jedem der Vorsprünge 36, die das Relief des Beugungsgitters 1 bilden, und der senkrechten Linie zur Gitterebene des Beugungsgitters 1 aus der X-Achsen-Richtung oder Y-Achsen-Richtung gesehen, wie in 12 gezeigt, geändert wurde.
In der Simulation wurde das vorstehend genannte RCWA-Verfahren verwendet und ein Beugungsgitter 1, das ein Glassubstrat 34 und einen dünnen Goldfilm 35 (als Reflexionsfilm) umfasst, der auf dem Substrat 34 ausgebildet war, wurde verwendet.
In 12 stellt „Λ“ die Periode des Reliefs des Beugungsgitters 1 dar, „D“ stellt die Breite des Vorsprungs 36 dar und „H“ stellt die Höhe des Vorsprungs 36 dar.
Im Übrigen weist der Vorsprung 36 eine so genannte Form eines „regelmäßigen vierseitigen Pyramidenstumpfs“ auf, die in derselben Form erscheint, wenn sie entweder aus der X-Achsen-Richtung oder der Y-Achsen-Richtung betrachtet wird. Wenn der Winkel θ5 0 Grad ist, wird der Vorsprung 36 zu einer rechteckigen Parallelepipedform, die wie ein Rechteck aussieht, wenn sie entweder aus der X-Achsen-Richtung oder der Y-Achsen-Richtung betrachtet wird.
13 bis 18 zeigen jeweils die Intensität der gebeugten Lichtbündel, wenn p-polarisiertes Licht auf das Beugungsgitter 1 einfiel, wobei der Winkel θ5 0 Grad, 10 Grad, 20 Grad, 30 Grad, 40 Grad bzw. 50 Grad war. In 13 bis 18 stellt die horizontale Achse Λ/λ dar und die vertikale Achse stellt die Intensität der gebeugten Lichtbündel dar, die als Zahlenwert auf der Basis einer Annahme ausgedrückt ist, dass die Intensität des einfallenden Lichts 1 ist.
In der Simulation wurde die Intensität von jedem gebeugten Licht unter einer Bedingung erhalten, dass die Intensität des gebeugten Lichts 1. Ordnung maximal wurde. Die Bedingung von H, des Einfallswinkels und von D, unter der die Intensität des gebeugten Lichts 1. Ordnung maximal wird, ändert sich in Abhängigkeit von dem Wert der Periode Λ/λ des Beugungsgitters 1. Das gebeugte Licht 1. Ordnung wird jedoch maximal, wenn D in einem Bereich festgelegt wird, so dass D/Λ = 0,7 bis 0,9, H in einem Bereich von 0,1 λ bis 0,3 λ festgelegt wird und der Einfallswinkel auf einen Wert festgelegt wird, so dass der Wert des Beugungswinkels und der Wert des Einfallswinkels des gebeugten Lichts 1. Ordnung nahe beieinander liegen (θ2≈θ1).
In 13 bis 18 sind die Symbole, die entsprechend den durch die Pfeile „a“ bis „h“ angegebenen Richtungen, wie in 11 gezeigt, aufgetragen sind, mit den Codes „a“ bis „h“ bezeichnet. Ferner stellt das Symbol „k“ das Licht dar, das vom Beugungsgitter 1 reflektiert wird.
Ferner stellt das Symbol „m“ die Intensität des gebeugten Lichts, das in der durch den Pfeil „b“ angegebenen Richtung (siehe 11) erzeugt wird, in dem Fall dar, in dem ein s-polarisiertes Licht auf das Beugungsgitter 1 einfällt.
Aus 13, die einen Fall zeigt, in dem der Winkel θ5 auf 0 Grad gesetzt ist, kann bekannt sein, dass, wenn der Wert von Λ/λ 1,5 oder kleiner ist, die Intensität des gebeugten Lichts 1. Ordnung, die durch die Kurve B5 (Symbol „b“) angegeben ist, 0,6 ist, was eine hohe Beugungseffizienz ist. Andererseits ist die Intensität der gebeugten Lichtbündel in anderen Richtungen niedriger als 1/10 der Intensität des gebeugten Lichts 1. Ordnung, die durch die Kurve B5 angegeben ist.
Wenn der Wert von Λ/λ 1,5 übersteigt, nimmt ferner die Intensität des gebeugten Lichts, die durch die Kurve B5 angegeben ist, schnell ab, aber statt dessen nimmt die Intensität von anderen gebeugten Lichtbündeln zu.
Wenn der Wert von Λ/λ in einem Bereich von 1 < Λ/λ < 1,5 liegt, wird ferner die Intensität des gebeugten Lichts des s-polarisierten Lichts, die durch die Kurve B6 (Symbol „m“) angegeben ist, sehr klein. Aus den obigen Ergebnissen kann bekannt sein, dass die vorliegende Ausführungsform, in der p-polarisiertes Licht einfällt, sehr wirksam ist zum Erhalten einer hohen Intensität des gebeugten Lichts sowohl im ersten Einfall als auch im zweiten Einfall in Bezug auf das Beugungsgitter 1.
Wenn Λ/λ = 0,6, wird im Übrigen die Intensität des gebeugten Lichts des s-polarisierten Lichts, die durch die Kurve B6 (Symbol „m“) angegeben ist, 0,8, was ein hoher Pegel ist. Zu diesem Zeitpunkt ist es folglich auch möglich, s-polarisiertes Licht als einfallendes Licht zu verwenden, das auf das Beugungsgitter 1 einfällt. Selbst somit ist jedoch die Intensität des gebeugten Lichts des s-polarisierten Lichts um mehr als 10 % kleiner als die Intensität des gebeugten Lichts des p-polarisierten Lichts, die durch die Kurve B5 angegeben ist.
Ferner kann aus 14 bis 18 (die die Fälle zeigen, in denen der Winkel θ5 des Vorsprungs 36 10 Grad, 20 Grad, 30 Grad, 40 Grad bzw. 50 Grad war) auch bekannt sein, dass, wenn Λ/λ 1,5 oder kleiner ist, die Intensität des gebeugten Lichts 1. Ordnung des p-polarisierten Lichts, das auf das Beugungsgitter 1 einfällt, 0,6 oder größer ist, wie durch die Kurven B7 bis B11 angegeben, was ein hoher Pegel ist.
Wenn andererseits Λ/λ 1,5 oder kleiner ist, wurden andere gebeugte Lichtbündel des p-polarisierten Lichts fast nicht erzeugt.
Wenn Λ/λ größer wird als 1,5, nimmt ferner die Intensität des gebeugten Lichts 1. Ordnung des p-polarisierten Lichts, die durch die Kurven B7 bis B11 angegeben ist, schnell ab.
In dem Fall, in dem der Winkel θ5 50 Grad ist, weist der Vorsprung 36 im Übrigen unter einer Bedingung, dass H ein optimaler Wert ist, fast eine Form einer vierseitigen Pyramide auf.
Aus der obigen Beschreibung kann bekannt sein, dass in dem Fall, in dem der Vorsprung 36 des Beugungsgitters 1 eine Rechteckform oder eine Form eines regelmäßigen vierseitigen Pyramidenstumpfs aufweist, wenn der Wert von Λ/λ 1,5 oder kleiner ist, unnötiges gebeugtes Licht des p-polarisierten Lichts ungeachtet des Werts von θ5 nicht erzeugt wird.
Wenn der Wert von Λ/λ 1,5 oder kleiner ist, ist ferner die Beugungseffizienz des gebeugten Lichts 1. Ordnung des p-polarisierten Lichts ungeachtet des Werts von θ5 höher als jene des gebeugten Lichts des s-polarisierten Lichts.
In der vorliegenden Ausführungsform ist es folglich bevorzugt, dass ein Beugungsgitter, dessen Λ/λ 1,5 oder kleiner ist, verwendet wird, selbst in dem Fall, in dem ein zweidimensionales Beugungsgitter verwendet wird. Mit einer solchen Konfiguration ist es möglich, das Interferenzsignal mit hoher Intensität zu erhalten, und es ist möglich, die Genauigkeit der Verlagerungsdetektion zu verbessern.
In der vorliegenden Ausführungsform sind jedoch der erste Strahl L1 und der zweite Strahl L2, die auf das Beugungsgitter 1 einfallen, in Richtung der Y-Achsen-Richtung um einen Winkel geneigt, der zum Winkel γ zwischen der Ebene S2 und der Ebene S1 äquivalent ist, wie in 1 und 3 gezeigt. Wenn die Neigung in Richtung der Y-Achsen-Richtung zu groß wird, weicht die Menge des gebeugten Lichts von den in 3 bis 18 gezeigten Werten ab.
Um ein solches Problem zu lösen, wird, wie in 19 gezeigt, der Einfallswinkel eines Strahls L1a, der durch Projizieren des ersten Strahls L1, der auf das Beugungsgitter 1 einfällt, auf eine Ebene S4 (d. h. die Y-Z-Ebene) erhalten wird, als θ_s (= y) bezeichnet und der Winkel zwischen dem ersten Strahl L1 und der Ebene S4 wird als Φ_s bezeichnet.
Zu diesem Zeitpunkt kann in dem Fall, in dem 1 < ΛcosΦs/λ, < 1,5 ist, der Wert von y so festgelegt werden, dass die folgende Gleichung 3 erfüllt ist.
[Gleichung 3] $1 \geq \frac{λ}{Λ cos ϕ_{s}} + sin γ$
Wenn der Wert von γ erhöht wird, wird das gebeugte Licht negativer 1. Ordnung nicht in der Y-Achsen-Richtung erzeugt, so dass nur gebeugtes Licht positiver 1. Ordnung in der Y-Achsen-Richtung erzeugt wird. Die Gleichung 3 gibt einen Bereich an, in dem sowohl das Licht positiver 1. Ordnung als auch das Licht negativer 1. Ordnung in der Y-Achsen-Richtung erzeugt werden. Eine solche Bedingung wurde in den in 13 bis 18 gezeigten Simulationsergebnissen hervorgerufen. Folglich kann die Menge des gebeugten Lichts, die zu den in 13 bis 18 gezeigten Werten identisch ist, durch Setzen des Werts von γ in den Bereich der Gleichung 3 erhalten werden, so dass sowohl das Licht positiver 1. Ordnung als auch das Licht negativer 1. Ordnung in der Y-Achsen-Richtung erzeugt werden.
In dem Fall, in dem ΛcosΦs/λ, < 1 ist, kann der Wert von γ ferner so festgelegt werden, dass die folgende Gleichung 4 erfüllt ist.
[Gleichung 4] $1 \leq \frac{λ}{Λ cos ϕ_{s}} - sin γ$
In dem Fall, in dem ΛcosΦs/λ < 1, d. h. in dem Fall, in dem die Periode des Beugungsgitters 1 klein wird, wird der Beugungswinkel des gebeugten Lichts 1. Ordnung in der Y-Achsen-Richtung groß. In dem Fall, in dem die Periode kleiner wird als ein vorbestimmter Wert, wird ferner das gebeugte Licht 1. Ordnung in der Y-Achsen-Richtung nicht erzeugt, so dass nur Licht nullter Ordnung (d. h. das reflektierte Licht) erzeugt wird. Eine solche Bedingung wurde in der in 13 bis 18 gezeigten Simulation hervorgerufen.
Wenn jedoch der Wert von γ erhöht wird, wird das gebeugte Licht 1. Ordnung selbst dann erzeugt, wenn die Periode des Beugungsgitters 1 klein ist. Die Gleichung 4 gibt einen Bereich des Winkels γ an, in dem das gebeugte Licht 1. Ordnung nicht erzeugt wird, so dass nur Licht nullter Ordnung (d. h. das reflektierte Licht) selbst in dem Fall erzeugt wird, in dem die Periode des Beugungsgitters 1 klein ist; und durch Festlegen eines solchen Bereichs kann eine Beugungsbedingung, die zu der durch 13 bis 18 angegebenen Bedingung äquivalent ist, erfüllt werden, so dass die identische Menge des gebeugten Lichts erhalten werden kann.
Zweite Ausführungsform
20 ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Konfiguration einer Verlagerungsdetektionsvorrichtung 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Es ist zu beachten, dass in der zweiten Ausführungsform gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform (siehe 1) bezeichnet sind und deren Erläuterung nicht wiederholt wird.
Die Verlagerungsdetektionsvorrichtung 200 der vorliegenden Ausführungsform umfasst einen Signalerfassungsabschnitt 70, der dazu ausgelegt ist, ein Interferenzsignal zu erzeugen und das Interferenzsignal zu erfassen, und einen Positionsinformations-Detektionsabschnitt, der dazu ausgelegt ist, Positionsinformationen auf der Basis des erfassten Interferenzsignal zu detektieren. Der Positionsinformations-Detektionsabschnitt kann zum Positionsinformations-Detektionsabschnitt, der in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde (siehe 6), identisch sein, und wird daher weder in den Zeichnungen gezeigt noch hier beschrieben.
Der Signalerfassungsabschnitt 70 umfasst ein Beugungsgitter 1, ein optisches Bestrahlungssystem 10, ein optisches Reflexionssystem 20, ein optisches Interferenzsystem 30 und einen Lichtempfangsabschnitt 40.
Die Konfigurationen des Beugungsgitters 1, des optischen Bestrahlungssystems 10, des optischen Interferenzsystems 30 und des Lichtempfangsabschnitts 40 sind im Wesentlichen identisch zu jenen der ersten Ausführungsform. In der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch die Position, in der das gebeugte Licht vom Beugungsgitter 1 durch das optische Reflexionssystem 20 wieder auf das Beugungsgitter 1 einfällt, von der Position, in der das Licht auf das Beugungsgitter 1 einfällt, verschieden.
21 ist eine Ansicht des Signalerfassungsabschnitts 70 aus der X-Achsen-Richtung betrachtet und 22 ist eine Ansicht des Signalerfassungsabschnitts 70 aus der Y-Achsen-Richtung betrachtet.
Wie in 21 und 22 gezeigt, fällt in der vorliegenden Ausführungsform das gebeugte Licht vom Beugungsgitter 1 wieder durch das optische Reflexionssystem 20 auf das Beugungsgitter 1 in einer Position ein, die in der Y-Achsen-Richtung von der Position verschieden ist, in der das Licht vom Beugungsgitter 1 gebeugt wird.
Wie in 21 gezeigt, fällt beispielsweise ein erster Strahl L1, der durch ein Strahlteilungselement 4 aufgeteilt wird, an einem Punkt P3 auf das Beugungsgitter 1 ein. Ein erstes gebeugtes Licht L3, das am Punkt P3 erzeugt wird, wird durch eine Linse 7 durchgelassen und dann durch einen Spiegel 8 reflektiert, so dass es auf das Beugungsgitter 1 an einem Punkt P4 einfällt, der in der Y-Achsen-Richtung vom Punkt P3 verschieden ist.
Ferner wird ein zweites gebeugtes Licht L4, das am Punkt P4 erzeugt wird, durch einen Spiegel 6 (in den Zeichnungen nicht gezeigt) reflektiert und dann durch ein wirkungsloses Glas 14 durchgelassen, so dass es auf den Lichtkombinator 13 einfällt.
In einer solchen Weise werden in der vorliegenden Ausführungsform der optische Weg des ersten Strahls L1 und der optische Weg des zweiten gebeugten Lichts L4 in der Y-Achsen-Richtung voneinander verschoben. Folglich sind das Strahlteilungselement 4 und der Lichtkombinator 13 in der Y-Achsen-Richtung aufeinander überlagert und das wirkungslose Glas 14 ist nur auf der Lichteinfallsoberfläche des Lichtkombinators 13 angeordnet.
Wie in 22 gezeigt, fällt ferner ein zweiter Strahl L2 (in 21 nicht gezeigt), der durch das Strahlteilungselement 4 aufgeteilt wird, am Punkt P3 auf das Beugungsgitter 1 ein. Ein erstes gebeugtes Licht L5, das am Punkt P3 erzeugt wird, wird durch eine Linse 9 durchgelassen und dann durch den Spiegel 11 reflektiert, so dass es wieder auf das Beugungsgitter 1 am Punkt P4 einfällt.
Ein zweites gebeugtes Licht L6, das erzeugt wird, wenn das Licht wieder am Punkt P4 einfällt, wird durch den Spiegel 6 reflektiert und durch eine Halbwellenplatte 12 durchgelassen, so dass es auf den Lichtkombinator 13 einfällt.
Wie in 22 gezeigt, fallen in der vorliegenden Ausführungsform, da der Punkt P3 und der Punkt P4 auf dem Beugungsgitter 1, auf die das Licht einfällt, in der Y-Achsen-Richtung voneinander abweichen, der optische Weg des ersten Strahls L1 und der optische Weg des zweiten gebeugten Lichts L4 aus der Y-Achsen-Richtung betrachtet im Wesentlichen miteinander zusammen.
Ferner fallen der optische Weg des zweiten Stahls L2 und der optische Weg des zweiten gebeugten Lichts L6 aus der Y-Achsen-Richtung betrachtet im Wesentlichen miteinander zusammen.
Die optischen Wege der zweiten gebeugten Lichtbündel L4, L6, die auf den Lichtkombinator 13 im Segment einfallen, bis sie vom Lichtempfangsabschnitt 40 empfangen werden, und das Verfahren zum Detektieren der Positionsinformationen auf der Basis des Interferenzsignals, das durch den Lichtempfangsabschnitt 40 erhalten wird, sind ferner zu jenen der ersten Ausführungsform identisch.
In der vorliegenden Ausführungsform ist auch die Periode des Reliefs des Beugungsgitters 1 nicht mehr als 1,5-mal die Wellenlänge des Lichts, das auf das Beugungsgitter 1 einfällt. Ferner fallen der erste Strahl L1 und der zweite Strahl L2 auf das Beugungsgitter 1 als p-polarisiertes Licht ein und die ersten gebeugten Lichtbündel L3, L5, die durch das optische Reflexionssystem 20 reflektiert werden, fallen auch auf das Beugungsgitter 1 als p-polarisiertes Licht ein. Folglich kann eine hohe Beugungseffizienz wie in der ersten Ausführungsform erreicht werden und ein starkes Interferenzsignal kann erhalten werden, so dass es möglich ist, eine Positionsdetektion mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
Andere Konfigurationen und Effekte sind auch zu jenen der ersten Ausführungsform identisch.
Das Verfahren zum Reflektieren des gebeugten Lichts, das auf das optische Reflexionssystem 20 an einem anderen Punkt auf das Beugungsgitter 1 einfällt, kann beispielsweise auch zu jenem der ersten Ausführungsform (siehe 4A und 4B) identisch sein, d. h. Verschiebung der optischen Achse der Linse 7 oder Neigung des Spiegels 8. Die optische Achse wird jedoch entlang der Y-Achsen Richtung verschoben oder der Spiegel 8 wird entlang dieser geneigt.
Ferner sind die Brennpunkte der Linsen 7, 9 auf dem Beugungsgitter 1 angeordnet.
23 ist ein Diagramm, das die Intensität des Interferenzsignals zeigt, das erhalten wird, wenn das Beugungsgitter 1 der vorliegenden Ausführungsform in einer Gierrichtung (einer Richtung innerhalb der Oberfläche des Beugungsgitters 1, d. h. einer Richtung innerhalb der X-Y-Ebene in 20) und einer Nickrichtung (einer Richtung innerhalb der X-Z-Ebene) gedreht wird.
In dem in 23 gezeigten Diagramm stellt die horizontale Achse den Drehwinkel des Beugungsgitters 1 dar und die vertikale Achse stellt die Intensität des Interferenzsignals dar. Im Übrigen ist die Intensität des Interferenzsignals, wenn der Drehwinkel gleich null ist, als 1 definiert, die Brennweite beider Linsen 7, 8 ist 25 mm und der Abstand zwischen dem Punkt P3 und dem Punkt P4 ist 0,6 mm.
In der durch die Kurve B11 gezeigten Gierrichtung wird, selbst wenn der Drehwinkel 1 Grad ist, die Intensität des Interferenzsignals im Vergleich zu dem Fall, in dem der Drehwinkel null ist, bei 95 % oder höher gehalten.
In der durch die Kurve B12 gezeigten Nickrichtung wird ferner, wenn der Drehwinkel 1 Grad ist, die Intensität des Interferenzsignals auf einer Rate nahe 90 % gehalten.
Im Vergleich zu 5, die in der ersten Ausführungsform gezeigt ist, weist folglich die Verlagerungsdetektionsvorrichtung 200 der vorliegenden Ausführungsform einen größeren zulässigen Bereich in Bezug auf die Drehung des Beugungsgitters 1 auf.
Dritte Ausführungsform
In dem Fall, in dem ein zweidimensionales Beugungsgitter als Beugungsgitter 1 verwendet wird, ist es ferner auch möglich, zwei Signalerfassungsabschnitte anzuordnen, die entsprechend der Messrichtung vorgesehen sind, so dass die zwei Signalerfassungsabschnitte einander kreuzen.
24A und 24B sind Ansichten, die jeweils schematisch die Konfiguration einer Verlagerungsdetektionsvorrichtung 300 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. 24A ist eine Ansicht der Verlagerungsdetektionsvorrichtung 300 aus der Y-Achsen-Richtung gesehen und 24B ist eine Ansicht der Verlagerungsdetektionsvorrichtung 300 aus der X-Achsen-Richtung gesehen. Es ist zu beachten, dass in der dritten Ausführungsform gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform (siehe 1) bezeichnet sind und deren Erläuterung nicht wiederholt wird.
Die Verlagerungsdetektionsvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst ein Beugungsgitter 1, zwei Signalerfassungsabschnitte 70a, 70b und einen Positionsinformations-Detektionsabschnitt (in den Zeichnungen nicht gezeigt).
Das Beugungsgitter 1 ist zu dem in der ersten Ausführungsform (siehe 9, 10 und 12) gezeigten identisch. Folglich stehen die Periode A des Reliefs des Beugungsgitters 1 und die Wellenlänge λ des Lichts, das auf das Beugungsgitter 1 einfällt, in einer Beziehung, so dass der Wert von Λ/λ nicht mehr als 1,5 ist. Andere Konfigurationen des Beugungsgitters 1 sind auch zu jenen der ersten Ausführungsform identisch.
Ferner ist die grundlegende Konfiguration der Signalerfassungsabschnitte 70a, 70b zu jener des Signalerfassungsabschnitts 70, der in der zweiten Ausführungsform (siehe 20, 21 und 22) gezeigt ist, identisch.
In der vorliegenden Ausführungsform sind jedoch der Signalerfassungsabschnitt 70a und der Signalerfassungsabschnitt 70b so angeordnet, dass sie einander kreuzen. Wie aus 24A und 24B beispielsweise bekannt sein kann, bedeutet, dass sich der „Signalerfassungsabschnitt 70a und der Signalerfassungsabschnitt 70b kreuzen“, dass eine Linie, die zwei Spiegel 5d, 6d des optischen Bestrahlungssystems des Signalerfassungsabschnitts 70a verbindet, und eine Linie, die zwei Spiegel 5c, 6c des optischen Bestrahlungssystems des Signalerfassungsabschnitts 70b verbindet, einander kreuzen.
Wie in 24A gezeigt, wird im Signalerfassungsabschnitt 70a p-polarisiertes Licht auf das Beugungsgitter 1 an zwei Punkten P5, P6, die in der X-Achsen-Richtung unterschiedlich sind, abgestrahlt und das durch das gebeugte Licht verursachte Interferenzsignal wird erfasst.
Wie in 24B gezeigt, wird im Signalerfassungsabschnitt 70b p-polarisiertes Licht auf das Beugungsgitter 1 an zwei Punkten P7, P8, die in der Y-Achsen-Richtung unterschiedlich sind, abgestrahlt und das durch das gebeugte Licht verursachte Interferenzsignal wird erfasst.
Mit anderen Worten, wie in 25 gezeigt, kreuzen sich bei Betrachtung des Beugungsgitters 1 aus der Z-Achsen-Richtung eine Linie, die die zwei Punkte P5, P6 verbindet, an denen das Licht durch den Signalerfassungsabschnitt 70a abgestrahlt wird, und eine Linie, die die zwei Punkte P7, P8 verbindet, an denen das Licht durch den Signalerfassungsabschnitt 70b abgestrahlt wird. Insbesondere sind in der vorliegenden Ausführungsform die Signalerfassungsabschnitte 70a, 70b so angeordnet, dass die Zentren der zwei Liniensegmente aufeinander überlagert sind.
Der Signalerfassungsabschnitt 70a erfasst das Interferenzsignal von den Punkten P5, P6 und ein Positionsinformations-Detektionsabschnitt (in den Zeichnungen nicht gezeigt) detektiert die Positionsinformationen in der X-Achsen-Richtung auf der Basis des Interferenzsignals.
Ebenso erfasst der Signalerfassungsabschnitt 70b das Interferenzsignal von den Punkten P7, P8, und ein Positionsinformations-Detektionsabschnitt (in den Zeichnungen nicht gezeigt) detektiert die Positionsinformationen in der Y-Achsen-Richtung auf der Basis des Interferenzsignals. Der Positionsinformations-Detektionsabschnitt 60 kann zum Positionsinformations-Detektionsabschnitt, der in der ersten Ausführungsform (siehe 6) beschrieben ist, identisch sein und ist beispielsweise jeweils mit den Signalerfassungsabschnitten 70a, 70b verbunden. Die vorliegende Erfindung umfasst jedoch auch eine mögliche Konfiguration, in der ein Digitalsignal-Verarbeitungsabschnitt 33 verwendet wird, um das Signal sowohl des Signalerfassungsabschnitts 70a als auch des Signalerfassungsabschnitts 70b zu verarbeiten.
Wie in 10 gezeigt, nimmt beispielsweise, wenn der Abstand zwischen dem Signalerfassungsabschnitt 50a und dem Signalerfassungsabschnitt 50b vergrößert wird, der Abstand zwischen dem Lichtbestrahlungspunkt auf dem Beugungsgitter 1, der durch den Signalerfassungsabschnitt 50a verursacht wird, und dem Lichtbestrahlungspunkt auf dem Beugungsgitter 1, der durch den Signalerfassungsabschnitt 50b verursacht wird, zu.
Im Beugungsgitter 1 ist es, wenn die Position zum Messen der Verlagerung in der X-Achsen-Richtung weitgehend von der Position zum Messen der Verlagerung in der Y-Achsen-Richtung verschieden ist, schwierig, eine genaue Verlagerungsdetektion in dem Fall durchzuführen, in dem das Beugungsgitter 1 beispielsweise in der Nickrichtung geneigt ist.
Dagegen können in der vorliegenden Ausführungsform durch Anordnen der zwei Signalerfassungsabschnitte 70a, 70b so, dass sie einander kreuzen, die Lichtbestrahlungspunkte P5, P6, P7, P8 auf dem Beugungsgitter 1 nahe zueinander gebracht werden. Folglich ist es möglich, eine genaue Verlagerungsdetektion mit kleinem Fehler durchzuführen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Periode des Reliefs des Beugungsgitters 1 auch nicht mehr als 1,5-mal die Wellenlänge des Lichts, das auf das Beugungsgitter 1 einfällt. Da das Licht, das auf das Beugungsgitter 1 einfällt, konstant als p-polarisiertes Licht auf das Beugungsgitter 1 einfällt, kann ferner ein stärkeres Interferenzsignal wie bei der ersten Ausführungsform erhalten werden. Folglich ist es möglich, eine zweidimensionale Positionsdetektion mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
Andere Konfigurationen und Effekte sind auch zu jenen der ersten Ausführungsform identisch.
Im Übrigen werden in der vorliegenden Ausführungsform Signalerfassungsabschnitte mit derselben grundlegenden Konfiguration wie jener des Signalerfassungsabschnitts der zweiten Ausführungsform als Signalerfassungsabschnitte 70a, 70b verwendet; es ist jedoch auch möglich, die vorliegende Ausführungsform in derselben Weise zu konfigurieren, selbst wenn der Signalerfassungsabschnitt der ersten Ausführungsform als Signalerfassungsabschnitte 70a, 70b verwendet wird.
Die bevorzugten Ausführungsformen der Verlagerungsdetektionsvorrichtung wurden vorstehend beschrieben. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen begrenzt und verschiedene mögliche Modifikationen können vorgenommen werden, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Verlagerungsdetektionsvorrichtung (200), die umfasst: ein Beugungsgitter (1) mit einer trapezförmigen oder rechteckigen Reliefform; ein optisches Bestrahlungssystem (10) mit einem Lichtquellenabschnitt (2) zum Emittieren von kohärentem Licht und einem Strahlteiler (4) zum Aufteilen des vom Lichtquellenabschnitt (2) emittierten Lichts in zwei Strahlen, das dazu ausgelegt ist, die zwei Strahlen auf das Beugungsgitter (1) als p-polarisiertes Licht abzustrahlen; ein optisches Reflexionssystem (20) mit zwei Linsen (7, 9), wobei Brennpunkte der zwei Linsen auf der Seite des Beugungsgitters (1) auf dem Beugungsgitter (1) angeordnet sind, und zwei Spiegeln (8, 11), die so angeordnet sind, dass zwei erste gebeugte Lichtbündel, die von zwei Strahlen durch Beugung an dem Beugungsgitter (1) erhalten werden, senkrecht darauf einfallen, wobei das optisches Reflexionssystem (20) dazu ausgelegt ist, die zwei ersten gebeugte Lichtbündel, die von den zwei Strahlen durch Beugung durch das Beugungsgitter (1) erhalten werden, jeweils zu reflektieren und zu bewirken, dass die zwei ersten gebeugten Lichtbündel wieder auf das Beugungsgitter (1) als p-polarisiertes Licht einfallen; ein optisches Interferenzsystem (30), das dazu ausgelegt ist zu bewirken, dass zwei zweite gebeugte Lichtbündel, die von den zwei ersten gebeugten Lichtbündeln, die wieder auf das Beugungsgitter (1) einfallen, durch Beugung durch das Beugungsgitter (1) erhalten werden, miteinander interferieren, um Interferenzlicht zu erhalten; einen Lichtempfangsabschnitt (40), der dazu ausgelegt ist, das Interferenzlicht zu empfangen, das im optischen Interferenzsystem erhalten wird; und einen Positionsinformations-Detektionsabschnitt (60), der dazu ausgelegt ist, Positionsinformationen des Beugungsgitters (1) auf der Basis eines Interferenzsignals, das im optischen Interferenzsystem (30) erhalten wird, zu detektieren, wobei die Periode des Reliefs des Beugungsgitters (1) nicht mehr als 1,5-mal die Wellenlänge des kohärenten Lichts ist, das auf das Beugungsgitter (1) einfällt, wobei die periodische Struktur des Reliefs zweidimensional ausgebildet ist; wobei das optische Bestrahlungssystem (10), das optische Reflexionssystem (20), das optische Interferenzsystem (30), der Lichtempfangsabschnitt (40) und der Positionsinformations-Detektionsabschnitt (60) für jede Richtung der zweidimensionalen Richtung vorgesehen sind; wobei das optische Reflexionssystem (20) bewirkt, dass die ersten gebeugten Lichtbündel, die durch das Beugungsgitter (1) gebeugt werden, wieder einfallen, um ein Bild in einer ersten Position zu erzeugen, die von der zweiten Position verschieden ist, in der die zwei Strahlen auf das Beugungsgitter (1) einfallen; wobei das optische Bestrahlungssystem (10), das optische Reflexionssystem (20), das optische Interferenzsystem (30), der Lichtempfangsabschnitt (40) und der Positionsinformations-Detektionsabschnitt (60), die für jede Richtung der zweidimensionalen Richtung vorgesehen sind, so ausgelegt sind, dass eine Linie, die zwei Punkte verbindet, die in einer Richtung der zwei Dimensionen verschieden sind und an die das Licht durch einen ersten Signalerfassungsabschnitt abgestrahlt wird, und eine Linie, die zwei Punkte verbindet, die in der anderen Richtung der zwei Dimensionen verschieden sind und an die das Licht durch einen zweiten Signalerfassungsabschnitt 70b abgestrahlt wird, sich kreuzen.